Что такое активная область лпа

Теория антенн – Логопериодическая антенна

Антенна Яги-Уда в основном используется для бытовых целей. Однако для коммерческих целей и настройки диапазона частот нам нужна другая антенна, известная как логопериодическая антенна . Логопериодическая антенна – это антенна, импеданс которой является логарифмически периодической функцией частоты.

Диапазон частот

Частотный диапазон, в котором работают логопериодические антенны, составляет от около 30 МГц до 3 ГГц, которые принадлежат диапазонам ОВЧ и УВЧ .

Строительство и работа логопериодической антенны

Конструкция и работа логопериодической антенны аналогичны конструкции антенны Яги-Уда. Основным преимуществом этой антенны является то, что она демонстрирует постоянные характеристики в требуемом диапазоне частот. Он имеет такую ​​же радиационную стойкость и, следовательно, тот же КСВ. Коэффициент усиления и переднее-обратное отношение также одинаковы.

На рисунке показана логопериодическая антенна.

С изменением рабочей частоты активная область перемещается между элементами, и, следовательно, все элементы не будут активными только на одной частоте. Это его особенность .

Существует несколько типов логопериодических антенн, таких как плоская, трапециевидная, зигзагообразная, V-образная, щелевая и дипольная. Наиболее часто используемым является логопериодический дипольный массив, короче говоря, LPDA.

Диаграмма лог-периодического массива приведена выше.

Физическая структура и электрические характеристики, когда они наблюдаются, имеют повторяющийся характер. Массив состоит из диполей различной длины и расстояния, которые питаются от двухпроводной линии электропередачи. Эта линия перемещается между каждой соседней парой диполей.

Длина диполя и разделение связаны формулой

f r a c R 1 R 2 = f r a c R 2 R 3 = f r a c R 3 R 4 = T = f r a c l 1 l 2 = f r a c l 2 l 3 = f r a c l 3 l 4

• т – расчетное соотношение и т
• R – расстояние между подачей и диполем
• l длина диполя.

Полученные директивные выгоды от низкого до умеренного. Радиационные диаграммы могут быть однонаправленными или двунаправленными .

Радиационная картина

Диаграмма направленности логопериодической антенны может быть однонаправленной или двунаправленной, в зависимости от каротажных периодических структур.

Для однонаправленной логопериодической антенны излучение в сторону более короткого элемента является значительным, тогда как в прямом направлении оно мало или равно нулю.

Диаграмма направленности для однонаправленной логопериодической антенны приведена выше.

Для двунаправленной логопериодической антенны максимальное излучение находится в широкой стороне, которая нормальна к поверхности антенны.

На приведенном выше рисунке показана диаграмма направленности двунаправленной логопериодической антенны.

преимущества

Ниже приведены преимущества Log-периодических антенн –

• Конструкция антенны компактна.
• Усиление и диаграмма направленности варьируются в зависимости от требований.

Недостатки

Ниже приведены недостатки Log-периодических антенн –

• Внешнее крепление.
• Стоимость установки высока.

Приложения

Ниже приведены применения логопериодических антенн –

10. Широкополосные антенны

Для построения многих современных систем радиосвязи, радиолокации и радиомониторинга ОВЧ—СВЧ диапазонов необходимы антенны, обладающие широкой полосой рабочих частот с коэффициентом перекрытия до 5—10 и более. Типичными представителями класса широкополосных антенн являются вибраторные логопериодические антенны (ЛПА), спиральные антенны, ТЕМ-рупоры, полосковые антенны Вивальди [2—5, 10].

10.1. Логопериодические вибраторные антенны

Логопериодические антенны относятся к классу сверхширокополосных антенн, обладающих практически постоянными формой ДН и входным сопротивлением при изменении частоты. Принцип действия ЛПА основан на принципе электродинамического подобия, согласно которому при изменении длины волны и размеров антенны в определенное одинаковое число раз характеристики антенны остаются неизменными. Существует множество модификаций ЛПА. Рассмотрим вариант вибраторной ЛПА, приведенной на рис. 10.1 [10].

Рис. 10.1. Вибраторная ЛПА

Антенна выполняется в виде решетки из симметричных электрических вибраторов, подключенных к двухпроводной линии передачи. Возбуждение осуществляется без симметрирующего устройства с помощью коаксиальной линии, проложенной внутри одного из цилиндрических проводников двухпроводной линии. Длины вибраторов независимо от номера n (n=1; 2; . ) удовлетворяют соотношению

где τ — пространственный период структуры. Линии, соединяющие концы вибраторов, образуют угол α.

По принципу действия подобная ЛПА напоминает директорную антенну. На частоте f₀ резонирует, т.е. возбуждается наиболее интенсивно вибратор, длина плеча которого близка к λ₀/4, поскольку входное сопротивление этого вибратора можно считать активным. Другие вибраторы возбуждаются менее интенсивно, так как входное сопротивление их велико из-за большой реактивной компоненты. Активная область антенны, формирующая ЭМП излучения, включает обычно 3—5 вибраторов, в том числе резонирующий и соседние слева и справа. Фазовые соотношения токов в вибраторах активной области определяются длиной вибраторов, взаимным влиянием и переменно-фазным (поочередным) подключением их к разным проводникам питающей линии. При этом оказывается, что токи в более коротких вибраторах отстают, а в более длинных — опережают по фазе ток в резонансном вибраторе. Поэтому более короткие вибраторы работают как директоры, а более длинные — как рефлекторы. Максимальное излучение направлено в сторону вершины антенны (от самого длинного до самого короткого вибратора).

Если частота входных колебаний уменьшится и станет равной τf₀, то начнет резонировать следующий, более длинный вибратор; при этом активная область переместится в сторону более длинных вибраторов. Напротив, при увеличении частоты активная область сместится к вершине антенны. На всех частотах

где n — номер вибратора; f_n — резонансная частота n-го вибратора, свойства антенны остаются неизменными. В интервалах между резонансными частотами свойства антенны меняются, но незначительно. Логарифмирование (10.2) приводит к выражению lnf_n=(n−1)lnτ+lnf₁. В логарифмическом масштабе резонансные частоты повторяются через интервалы, равные lnτ, что и определило название антенны.

Таким образом, ширина рабочей полосы частот ЛПА снизу ограничивается допустимыми размерами самых длинных вибраторов (λ_mах≈4l_mах), а сверху — возможной точностью выполнения вибраторов вблизи точек питания (λ_min≈4l_min). ЛПА может сохранять практически неизменную форму ДН в почти десятикратном диапазоне частот (f_max/f_min≤10); при этом КСВ в питающей линии передачи находится в пределах 1,4 — 1,8. Заметим, что вследствие перемещения активной области по длине антенны с изменением частоты меняется также положение фазового центра антенны. Это несущественно, например, при приеме телевизионных сигналов, но принципиально при использовании ЛПА в качестве облучателя зеркальных антенн, а также в системах с широкополосными сигналами.

В связи с тем что активная (интенсивно излучающая) область образуется малым числом вибраторов, ДН ЛПА оказывается довольно широкой, причем в Е-плоскости, в которой расположены вибраторы, ширина ДН меньше, чем в Н-плоскости. Увеличение τ при неизменном α сужает ДН, так как увеличивается число вибраторов, входящих в активную область. Уменьшение угла α при неизменном τ также сужает ДН, поскольку при этом увеличивается расстояние между соседними вибраторами, т.е. активная область расширяется. Сказанное справедливо только до некоторых критических значений τ_mах≈0,95 и α_min≈10°. Типичные значения КНД (КУ) ЛПА составляют 6—7 дБ.

На практике применяются различные варианты ЛПА, как в плане конструкции, так и технологии изготовления [2, 3, 5, 10].

Назначение и принцип работы антенны ЛПА

Антенна ЛПА предназначена для приёма и передачи радиосигналов при работе в составе мобильных радиотехнических комплексов связи на стоянке в диапазоне частот от 30 до 80 МГц.

Логопериодические антенны относятся к классу сверхширокополосных антенн с логарифмической периодичностью параметров в зависимости от частоты. Общий вид логопериодической антенны показан на рисунке 2.1, где n — номер вибратора; N — общее число вибраторов; Rn — расстояние от первого вибратора до вибратора с номером n; In — длина вибратора с номером n. Типовые диаграммы направленности логопериодической антенны в Е и Н плоскостях (Е — плоскость, содержащая вибраторы, Н — плоскость, перпендикулярная осям вибраторов) приведены на рисунке2.2.

Антенна состоит из ряда симметричных параллельных вибраторов монотонно изменяющейся длины, расположенных в одной плоскости. Длина вибраторов и их расстояние от вершины антенны образуют геометрическую прогрессию со знаменателем ф, называемым периодом ЛПА:

Длина антенны определяется углом б, образуемым линией, соединяющей концы излучающих элементов с осью антенны, и самой длинной волной заданного рабочего диапазона.

Вибраторы логопериодической антенны возбуждаются двухпроводным фидером, который возбуждается со стороны коротких вибраторов и образован двумя параллельными трубками, внутри одной из которых проложен коаксиальный кабель. Внешний проводник кабеля присоединяется к трубке, внутри которой он проложен, а внутренний проводник кабеля к другой трубке. Подобная конструкция антенны очень удобна, так как не требует применения специального симметрирующего устройства.

Рисунок — 2.1 Логопериодическая антенна (ЛПА)

Рисунок — 2.2 Типовые диаграммы направленности логопериодической антенны

Из-за шунтирующего действия вибраторов постоянная распространения волны в линии питания и, следовательно, длина волны изменяются. Известна следующая зависимость длины волны в линии питания от геометрических параметров ЛПА:

где л_л — длина волны в линии питания;

л — длина волны в свободном пространстве;

W_л — волновое сопротивление линии питания;

W_B — волновое сопротивление вибраторов полотна;

б — угол раскрыва логопериодической антенны;

ф — период логопериодической антенны.

Рабочая полоса частот логопериодической антенны с нижней стороны ограничивается размерами самых длинных вибраторов lмакс ? л_макс/4 и с верхней стороны — размерами самого малого вибратора l_мин ? л_мин/4. Для сохранения удовлетворительного направленного действия на крайних частотах диапазона следует дополнительно применять по два лишних длинных и коротких вибратора. Это объясняется тем, что в логопериодической антенне на какой-либо заданной частоте возбуждается активная область, которая включает в себя вибратор, длина которого примерно равна л/4, и пару вибраторов, примыкающих к нему с двух сторон. Другие вибраторы из-за значительной расстройки возбуждаются слабее, и их влияние на излучаемое поле невелико. В активной области более длинный вибратор является рефлектором, а более короткий — директором. Совместное излучение нескольких вибраторов активной области усиливается в направлении вершины антенны и компенсируется в обратном направлении. Диаграмма направленности ЛПА (рисунок 2.2) из-за направленных свойств вибратора в плоскости Е (в плоскости, содержащей вибраторы) уже диаграммы в плоскости Н (в плоскости, перпендикулярной осям вибраторов).

Достоинством логопериодической антенны является ее сверхширокополосность. При правильном выборе размеров антенны удается в десятикратном диапазоне волн получать почти неизменные характеристики направленности при коэффициенте стоячей волны менее 1,5—1,7.

Недостатком логопериодической антенны является сравнительно низкое значение ее коэффициента усиления, так как активная область включает только небольшую часть всех вибраторов антенны (обычно от трех до пяти) [7].

Логопериодические антенны

Принцип автоматической отсечки излучающих токов воплощен также в антеннах с логарифмической периодичностью параметров в зависимости от частоты, для краткости называемых просто логопериодическими антеннами (рис. 6.19). Плечами антенны являются своеобразные структуры из взаимно чередующихся вибраторов в форме выступов и впадин.

Геометрия структур характеризуется безразмерным периодом т = ——, ко-

эффициентом формы о = — и углами аир. Обычно используются струк-

туры с параметром о = Vr .

Рис. 6.19. Плоская логопериодическая антенна

Плечи антенны в начале координат разделены зазором. Возбуждающий коаксиальный кабель припаивается оплеткой к одному плечу антенны на всем его протяжении, внутренний проводник кабеля присоединяется к началу другого плеча антенны.

Экспериментально было установлено, что электрический ток в выступах структуры при удалении от центра возрастает, достигая максимума в месте расположения резонансных выступов примерно четвертьволновой длины. Направления наиболее интенсивных токов, определяющих излучение антенны, показаны на рис. 6.19 стрелками. После прохождения резонансных выступов токи резко уменьшаются, т. е. происходит их отсечка. При уменьшении частоты излучаемых колебаний последовательно возникают резонансы выступов, более удаленных от центра. Отношение двух частот, на которых резонируют соседние выступы, составляет в точности

величину т = —, поэтому входное сопротивление и ДНА оказываются пе-

риодическими функциями логарифма частоты колебаний. При правильном подборе параметров структуры изменение характеристик антенны в пределах одного периода оказывается небольшим. Точное повторение этих изменений от периода к периоду обеспечивает удовлетворительное поведение характеристик антенны в очень широком диапазоне частот.

Границы рабочего диапазона в первом приближении определяются частотами резонанса крайних выступов, наиболее близких к центру антенны и наиболее удаленных от него. Легко может быть достигнут рабочий диапазон частот 10:1 и более.

Среднее входное сопротивление плоской логопериодической антенны обычно превышает 100 Ом и зависит от значения углов аир. При а = Р = = 45° форма металлической части антенны совпадает с формой ее щелевой дополнительной части и в соответствии с формулой Z,Z₂ = (60л) 2 входное сопротивление должно составлять около 188 Ом. Измерения дают несколько меньшее значение, равное примерно 150 Ом. Уменьшение среднего входного сопротивления, желательное для облегчения согласования входа антенны с 75-омным коаксиальным кабелем, может быть достигнуто уменьшением угла р.

ДН плоской логопериодической антенны состоит из двух широких лепестков, ориентированных перпендикулярно плоскости плеч. Излучение в плоскости антенны невелико для всех направлений. Вектор Е в направлении максимального излучения поляризован параллельно оси х, а излучение с поляризацией, параллельной оси у, мало. Ширина лепестков ДНА зависит от безразмерного периода структуры т. При изменении т от 0,80 до 0,25 при углах а = р = 45° происходит плавное уменьшение ширины лепестков по половинной мощности от 73 до 38°.

Рис. 6.20. Различные конструктивные формы логопериодических антенн

При совершенствовании логопериодических антенн были найдены значительно более простые формы плеч (на рис. 6.20, а-г показана только половина антенны).